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膜料系列研讨（1）：明明成膜是TiO2，为啥膜料用Ti3O5?

宣布时间：

2022-08-08 17:48

（一） TiO₂薄膜的折射率与初始膜料身分有关

TiO₂分子量79.88，密度4.26，熔点1850℃，在真空度为10^-2Pa时的汽化温度为2200℃。TiO₂是具有高度合于需要性质的薄膜质料，它坚硬，抗化学腐化，在整个可见波段与近红外波段光谱区都是透明

的，险些是可见光波段折射率最高的膜料，在薄膜领域被广泛应用。

TiO₂的制备要领主要有物理沉积与化学沉积，物理沉积包括电阻热蒸发、电子束热蒸发与磁控溅射等要领，化学沉积包括电化学法与溶胶凝胶法等。目今主流的成膜方法依然是热蒸发。

钛有多种氧化物，常见的有TiO、Ti₂O₃、Ti₃O₅、TiO₂四种。无论选用哪种质料作为起始膜料，最终成膜的主要身分就只有TiO₂。但所用膜料的身分，会影响最终成膜的特性。

下图1列举了TiO、Ti₂O₃、Ti₃O₅与TiO₂作为初始膜料，蒸发1次和连续蒸发10次蒸发后，剩余膜料中氧气含量的情况。

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图1 差别起始膜料蒸发1次和10次后的含氧量

从图1可以看出蒸发历程中陪同着膜料的氧化或失氧。TiO与Ti₂O₃作为初始膜料时，剩余膜料会氧化。Ti₃O₅和TiO₂作为初始膜料时，剩余膜料会失氧。与之形成鲜明比照的是，Ti₃O₅在高真空高温条件下，组分随时间变革最小，最稳定这意味着，当不确定药材具体身分时，仅用融药时释放的杂气量作为药材优劣的判据，是不全面的。

图2给出了同样实验条件下，TiO、Ti₂O₃、Ti₃O₅与TiO₂作为初始膜料，蒸发1次和连续蒸发10次蒸发，所制备薄膜的折射率情况。

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图2 差别起始膜料蒸发1次和10次的成膜折射率

从图2可以看出两点。第一，起始膜料O/Ti的比值越高，所制备TiO₂薄膜的折射率越高�？梢匀衔鹗寄ち�O/Ti的比值越高，生成TiO₂薄膜时需要的O₂分压强就越小，因此，最终TiO₂薄膜致密度就越高。第二，起始膜料O/Ti的比值，会影响所制备TiO₂薄膜的重复性。TiO与Ti₂O₃作为初始膜料时，随着蒸发次数增加，新沉积薄膜的折射率会变低。TiO₂作为初始膜料时，随着蒸发次数增加，新沉积薄膜的折射率会变高。变革相对最轻微的依然是Ti₃O₅。这种特殊情况的泛起，可能与图1中所展示的纪律有关。多次蒸发后，剩余膜料身分爆发变革，导致了最终成膜折射率爆发变革。在这个实验里，从剩余膜料的一致性，以及多次蒸发成膜的稳定性和重复性来看，Ti₃O₅膜料无疑体现的最好。

（二）薄膜蒸汽分子身分与初始膜料身分有关

在高真空条件下，划分热熔TiO、Ti₂O₃、Ti₃O₅和TiO₂，对其蒸汽身分进行了质谱剖析。

（1）TiO；在蒸汽中检测到了近似相等的Ti和TiO的原子和分子，没有检测到TiO₂分子�；咀裱缦路从�:4TiO→2Ti+2TiO+O₂。当大宗蒸发TiO初始膜料时，其蒸汽中的Ti原子随之减少。通过对剩余膜料含氧量富有位置的剖析标明，其固态相是TiO和Ti₂O₃或只是Ti₂O₃。

（2）Ti₂O₃;在其蒸汽中检测出Ti、TiO和TiO₂的分子。在蒸起源温度为1921℃时，其蒸汽中种种身分的比例为Ti+：TiO+：TiO₂+= 600:1460:17。剩余膜料主要身分是Ti₂O₃和Ti₃O₅�；咀裱缦路从�:Ti₂O₃→Ti+TiO+O2

（3）Ti₃O₅;蒸气身分险些全部是TiO。当少量蒸发时，蒸起源剩余膜料是没有变革的Ti₃O₅。大宗蒸发时，其剩余膜料则为Ti₃O₅和Ti₄O₇�；咀裱缦路从�:Ti₃O₅→3TiO+O2

4）TiO2;其蒸气的身分是TiO和TiO₂分子。如果由蒸发舟加热蒸发，由于膜料与蒸发舟侧壁反应，在TiO2蒸发之前便爆发大宗杂质挥发物MeO_x，MoO₃，WO₃等�；咀裱缦路从�:3TiO2→2TiO+TiO₂+O2。综上比照可以发明:第一，除TiO₂作为初始膜料时蒸气分子中含有大宗TiO₂外，其他初始质料的蒸发分子中只有少少量或基础不含TiO₂。这意味着，成膜氧化反应历程不是爆发在蒸起源四周。现有镀膜机充氧口位置一般都位于电子枪四周。这种做法的正确与否，需要进一步研究论证。第二，Ti₃O₅作为初始膜料时，蒸汽分子中为简单的钛的氧化物，这为薄膜的稳定蒸发提供了可能性。

（三）Ti₃O₅结晶时陪同的自排杂效应可以包管膜料纯度

Ti₃O₅膜料烧制历程可以简介如下。将一定比例金属Ti与TiO₂粉混淆，放入真空炉的坩埚中，加热至一定的温度使之欢喜，恒温一准时间后开始冷凝，即可获得Ti₃O₅膜料。在这个历程中，冷凝历程就是质料由外到内的结晶历程。图3给出了坩埚下降法制备Ti₃O₅的示意图。

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图3 坩埚下降法制备Ti₃O₅的示意图

同类物质的有序排列才华形成完美的晶体。在由外到内的结晶历程中，杂质被逐步排斥到了质料的中心部位，最终获得除中心位置外的高纯Ti₃O₅膜料。这就是结晶历程中的自排杂效应。经过这一历程获得的膜料，有以下优点。第一，自排杂效应确保了质料的高纯度。第二，由于结晶，使得膜料密度大，无气孔。

（四）小结

综上三个方面的原因，主流的TiO₂薄膜都是接纳Ti₃O₅作为初始膜料蒸发制备。

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